(Luận văn thạc sĩ hcmute) nghiên cứu ảnh hưởng về các thông số hình học của kênh micro đến quá trình ngưng tụ của hơi nước
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.37 MB, 85 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ THÁI SƠN
NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG VỀ CÁC THƠNG SỐ
HÌNH HỌC CỦA KÊNH MICRO ĐẾN QUÁ TRÌNH
NGƯNG TỤ CỦA HƠI NƯỚC
NGÀNH: KỸ THUẬT NHIỆT
SKC007491
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2017
Luan van
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ THÁI SƠN
NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG VỀ CÁC THƠNG SỐ HÌNH
HỌC CỦA KÊNH MICRO ĐẾN QUÁ TRÌNH NGƯNG TỤ
CỦA HƠI NƯỚC
NGÀNH: KỸ THUẬT NHIỆT
MÃ SỐ: 60520115
Hướng dẫn khoa học:
PGS.TS ĐẶNG THÀNH TRUNG
Hồ Chí Minh, tháng 10/2017
Luan van
Luận Văn Thạc Sĩ
GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung
3
Luan van
Luận Văn Thạc Sĩ
GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung
4
Luan van
Luận Văn Thạc Sĩ
GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung
LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Họ & tên: Lê Thái Sơn
Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 16/01/1992
Nơi sinh: Tây Ninh
Quê quán: Hòa Thành, Tây Ninh
Dân tộc: Kinh
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: C1/3A Ấp Long Thới , xã Long Thành
Trung, Hòa Thành, Tây Ninh
Điện thoại cơ quan:
Điện thoại nhà riêng:
Fax:
E-mail:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính Quy
Thời gian đào tạo từ 09/2010 đến 7/2014
Nơi học (trường, thành phố): Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM.
Ngành học: Kỹ thuật Nhiệt – Điện lạnh.
Tên đồ án, luận án hoặc mơn thi tốt nghiệp: Tính tốn, kiểm tra một số thiết bị
ở nhà máy chế biến thủy sản Á Châu.
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 7/2014 tại Đại Học Sư
Phạm Kỹ Thuật TPHCM.
Người hướng dẫn: PGS.TS Đặng Thành Trung
2. Thạc sĩ:
Hệ đào tạo: Chính Quy
Thời gian đào tạo từ 04/2015 đến 10/2016
5
Luan van
Luận Văn Thạc Sĩ
GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung
Nơi học (trường, thành phố): Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM
Ngành học: Kỹ thuật Nhiệt – Điện lạnh
Tên luận văn: Nghiên cứu sự ảnh hưởng về các thơng số hình học của kênh
micro đến quá trình ngưng tụ của hơi nước
Ngày & nơi bảo vệ luận văn: 29 /10 /2017, Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật
TPHCM
Người hướng dẫn: PGS.TS Đặng Thành Trung
III. Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC:
Thời gian
Nơi công tác
2014 - 2017
Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng
Cơng việc đảm nhiệm
Giảng viên cơ hữu
IV. CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ:
[1] Thaison Le, Kiencuong Giang,minhhung Doan,Thanhtrung Dang,” A
numerical Study on Effects of Microchannel Shape to Condensation of Steam
“,International Journal of Innovative Science, Engineering & Technology, Vol.
4 Issue 11, november 2017
[2] Minhhung Doan, Thaison Le, Thanhtrung Dang, Jyh-tong Teng”
A
Numerical Simulation on Phase Change of Steam in a Microchannel
Condenser “, International Journal of Power and Energy Research, Vol. 1, No.
2, July 2017
6
Luan van
Luận Văn Thạc Sĩ
GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung
LỜI CAM ĐOAN
Tôi tên Lê Thái Sơn, học viên cao học ngành Kỹ thuật nhiệt khóa 2015 –
2017A. Tơi cam đoan luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu sự ảnh hưởng về các thông số
hình học của kênh micro đến quá trình ngưng tụ của hơi nước” là cơng trình
nghiên cứu của tơi.
Các số liệu, kết quả được nêu trong luận văn là hoàn tồn trung thực và chưa
từng được ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình nghiên cứu nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng 10 năm 2017
(Ký tên và ghi rõ họ tên)
Lê Thái Sơn
7
Luan van
Luận Văn Thạc Sĩ
GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung
LỜI CÁM ƠN
Lời đầu tiên, Em xin được gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy PGS.TS.
Đặng Thành Trung, thầy Đoàn Minh Hùng đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn, quan
tâm, động viên đồng hành trong suốt quá trình nghiên cứu, thực hiện luận văn
“Nghiên cứu sự ảnh hưởng về các thông số hình học của kênh micro đến quá
trình ngưng tụ của hơi nước”.
Em cũng xin được chân thành cảm ơn đến tất cả Quý thầy cô bộ môn Công
nghệ Nhiệt Điện lạnh, khoa Cơ Khí Động Lực, Trường Đại Học Sư phạm Kỹ Thuật
TP Hồ Chí Minh đã rất tâm huyết mở lớp cao học ngành Kỹ Thuật Nhiệt khóa đầu
tiên 2015-2017 để tạo cơ hội cho em thực hiện được ước mơ nghiên cứu của mình.
Các thầy đã truyền đạt những kiến thức vô cùng quý báu thông qua các mơn học
trong chương trình đào tạo một cách tốt nhất để em có thể nghiên cứu và hồn thành
tốt luận văn.
Em đã rất cố gắng để thực hiện luận văn nhưng do hạn chế về kinh nghiệm,
thời gian và nguồn tài liệu tham khảo nên không thể tránh khỏi những thiếu sót. Vì
vậy em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến từ q thầy cơ để luận văn được
hoàn thiện hơn.
Học viên thực hiện
8
Luan van
Luận Văn Thạc Sĩ
GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung
TÓM TẮT
Đề tài này tập trung nghiên cứu, đánh giá sự ảnh hưởng chiều dài kênh micro,
đường kính thủy lực kênh micro, chiều sâu kênh micro cũng như chiều dày tấm
substrate đến biên dạng chuyển pha khi ngưng tụ của hơi nước và nhiệt độ nước
ngưng tụ khi ra khỏi kênh bằng phương pháp mơ phỏng số. Từ đó các kết quả mơ
phỏng số được so sánh với các nghiên cứu liên quan để kiểm chứng kết quả.
Phần mềm COMSOL MultiPhysics phiên bản 5.2a đã được sử dụng để mơ
phỏng q trình ngưng tụ của hơi nước trong kênh micro khi thay đổi chiều dài
kênh micro, đường kính thủy lực kênh micro, chiều sâu kênh micro cũng như chiều
dày tấm substrate với cùng điều kiện mô phỏng. Kết quả mô phỏng biên dạng
chuyển pha này rất phù hợp với kết quả thu được từ thực nghiệm ở cùng điều kiện.
Bên cạnh đó, kết quả cho thấy khi thay đổi chiều dài kênh micro cũng như chiều
dày tấm substrate không làm ảnh hưởng đến biên dạng chuyển pha khi ngưng tụ của
hơi nước nhưng ảnh hưởng đến vị trí biên dạng chuyển pha và khi thay đổi đường
kính thủy lực kênh micro, chiều sâu kênh micro không làm ảnh hưởng đến biên
dạng chuyển pha khi ngưng tụ của hơi nước. Ngoài ra, khi thay đổi chiều dài kênh
micro làm ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ nước ngưng tụ khi ra khỏi kênh, cụ thể
nhiệt độ nước ngưng tụ trên mẫu kênh micro M2 (thay đổi 31,6 o C đến 72,5 o C )
thấp hơn đáng kể so với trên mẫu kênh micro M1 (thay đổi 34,4 o C đến 74,7 o C ) và
khi thay đổi chiều dày tấm substrate làm ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ nước
ngưng tụ khi ra khỏi kênh, cụ thể nhiệt độ nước ngưng tụ trên mẫu micro M2 ( thay
đôi từ 31,6 o C đến 72,5 o C ) còn trên mẫu micro M3 ( thay đôi từ 34,8 o C đến
72,9 o C ) trong khi thay đổi đường kính thủy lực kênh micro, chiều sâu kênh micro
không làm ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ nước ngưng tụ khi ra khỏi kênh. Thêm
vào đó, lực trọng trường không ảnh hưởng nhiều đến chiều dài kênh micro trong
phạm vi nghiên cứu. Những kết quả thu được này hiếm khi thấy trong các công bố
khoa học.
9
Luan van
Luận Văn Thạc Sĩ
GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung
ABSTRACT
This thesis studied the effect of the microchannel length, hydraulic diameter,
depth and substrate thickness on the phase change profile of condensation and the
outlet temperature of the condensed water oulet by the numerical simulation. From
that, the numerical results were compared with the related studies to verify the
results.
COMSOL Multiphysics version 5.2a was used to simulate the process of
condensation of water vapor in microchannels when changing the channel length,
hydraulic diameter, depth and substrate thickness with the same condition
simulations. The numerical results are in good agreement with the experimental
data. The numerical results of the phase change profile are very consistent with the
results obtained from the related experiments in the same conditions. Besides, the
results show that the condensation profiles of the microchannels are almost the
same, leading to that the microchannel length and substrate thickness does not
affect much to the phase change profile excepting to situation of phase change and
when changing the hydraulic diameter, depth of microchannels does not affect
much to the phase change profile. Beside, the microchannel length made a
significant influence on the outlet temperature of the condensed water, in particular,
the oulet temperature of the condensed water of M2 changes from 31,6 o C
to
72,5 o C while the outlet temperature of the condensed water of M1 changes from
34,4 o C to 74,7 o C and this shows that the substrate thickness made a significant
influence on the outlet temperature of the condensed water, in particular, the oulet
temperature of the condensed water of M2 changes from 31,6 o C to 72,5 o C while
the outlet temperature of the condensed water of M3 changes from 34,8 o C
to
72,9 o C while the microchannel hydraulic diameter, depth does not affect much to
the outlet temperature of the condensed water. In addition, the gravity force does
not affect much to the length of the microchannels in this study. These results have
rarely seen in the published scientific papers.
10
Luan van
Luận Văn Thạc Sĩ
GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung
MỤC LỤC
LÝ LỊCH KHOA HỌC ............................................................................................... 5
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... 7
LỜI CÁM ƠN ............................................................................................................. 8
TÓM TẮT ................................................................................................................... 9
ABSTRACT .............................................................................................................. 10
MỤC LỤC ................................................................................................................. 11
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................... 14
DANH SÁCH CÁC HÌNH ....................................................................................... 17
DANH SÁCH CÁC BẢNG ...................................................................................... 19
Chương 1: TỔNG QUAN ......................................................................................... 20
1.1 Tính cấp thiết của đề tài ...................................................................................... 20
1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước ......................................................... 20
1.2.1Nghiên cứu ngoài nước ..................................................................................... 20
1.2.2 Nghiên cứu trong nước ..................................................................................... 28
1.3 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu ....................................................................... 29
1.3.1 Mục tiêu chính của đề tài ................................................................................. 29
1.3.2 Phương pháp nghiên cứu .................................................................................. 29
1.3.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................................... 30
1.3.4 Nội dung nghiên cứu ....................................................................................... 30
Chương 2 : CƠ SỞ NGHIÊN CỨU .......................................................................... 31
2.1 Lý thuyết truyền nhiệt ......................................................................................... 31
2.2 Dòng chảy lưu chất, mơ hình dịng chảy rối k – ε............................................... 32
11
Luan van
Luận Văn Thạc Sĩ
GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung
2.2.1 Dòng chảy lưu chất........................................................................................... 32
2.2.2 Mơ hình dịng chảy rối k – ε............................................................................. 34
Chương 3: MÔ PHỎNG SỐ ..................................................................................... 41
3.1 Thiết kế mơ hình mơ phỏng ................................................................................ 41
3.1.1 Thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro .................................................................... 41
3.2 Mô phỏng số ........................................................................................................ 46
3.2.1 Giới thiệu mô phỏng số .................................................................................... 46
3.2.2 Các điều kiện mơ phỏng bằng COMSOL MULTIPHYSICS 5.2a .................. 48
3.2.3 Trình bày mô phỏng số bằng phần mềm comsol 5.2a...................................... 49
Chương 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG SỐ VÀ THẢO LUẬN ..................................... 65
4.1 Biên dạng chuyển pha khi ngưng tụ của hơi nước trong kênh micro ................. 65
4.2 Sự thay đổi khối lượng riêng khi khi ngưng tụ của hơi nước trong kênh
micro ......................................................................................................................... 66
4.3 Sự ảnh hưởng của chiều dài kênh micro ............................................................. 67
4.4 Sự ảnh hưởng của đường kính thủy lực kênh micro .......................................... 68
4.5 Sự ảnh hưởng của chiều sâu kênh micro ............................................................. 69
4.6 Sự ảnh hưởng của chiều dày tấm substrate ......................................................... 70
4.7 Sự ảnh hưởng của chiều dài kênh micro đến nhiệt độ nước ngưng tụ ................ 71
4.8 Sự ảnh hưởng của đường kính thủy lực kênh micro đến nhiệt độ nước
ngưng tụ..................................................................................................................... 72
4.9 Sự ảnh hưởng của chiều sâu kênh micro đến nhiệt độ nước ngưng tụ................ 73
4.10 Sự ảnh hưởng của chiều dày tấm Substrate kênh micro đến nhiệt độ
12
Luan van
Luận Văn Thạc Sĩ
GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung
nước ngưng tụ ........................................................................................................... 74
4.11 Mối quan hệ giữa nhiệt độ nước ngưng tụ và lưu lượng hơi nước vào
trong kênh micro ....................................................................................................... 75
4.12 Ảnh hưởng của lực trọng trường đến biên dạng chuyển pha khi ngưng tụ
của hơi nước trong kênh micro ................................................................................. 76
Chương 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................ 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................ 80
PHỤ LỤC ................................................................................................................. 84
13
Luan van
Luận Văn Thạc Sĩ
GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
:
Nhiệt dung riêng đẳng áp, J/kg.K.
T
:
Nhiệt độ tuyệt đối, K.
u
:
Vector vận tốc, m/s.
q
:
Mật độ dòng nhiệt bằng dẫn nhiệt, W/m2.
p
:
Áp suất, Pa.
:
Ứng suất nhớt tensor, Pa.
S
:
Biến dạng tensor, 1/s.
Q
:
Nguồn gia nhiệt, W/m3.
I
:
Cường độ bức xạ theo hướng biên dạng hình học ,
C
p
W / (m2 .sr ).
F
:
Vector lực khối , N / m3 .
k
:
Động năng rối k, J/kg.
g
:
gia tốc trọng trường, m / s 2 .
:
Độ nhớt động lực học, Pa.s.
T
:
Độ nhớt động lực học cùa dòng chảy rối, Pa.s.
Qp
:
Pressure work, W / m3 .
Qvd
:
Sự tiêu tán độ nhớt, W / m3 .
:
Hệ số dẫn nhiệt, W/(m.K).
η
:
Hiệu suất, %.
:
Chỉ số hoàn thiện, W/kPa.
14
Luan van
Luận Văn Thạc Sĩ
GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung
p
:
Tổn thất áp suất, Pa.
u
:
Vector vận tốc, m/s.
Qted
:
Sự giảm dần do nhiệt đàn hồi, W / m3 .
m
:
Tỉ lệ khối lượng của phần hơi.
:
Khối lượng riêng, kg/m3.
phase1
:
Khối lượng riêng của vật liệu ở pha 1, kg/m3.
phase 2
:
Khối lượng riêng của vật liệu ở pha 2, kg/m3.
L
:
Nhiệt ẩn, J/kg.
:
Độ khô.
phase1
:
Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu ở pha 1, W/(m.K).
phase 2
:
Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu ở pha 2, W/(m.K).
C pphase1
:
Nhiệt dung riêng đẳng áp của vật liệu ở pha 1, J/kg.K.
C pphase 2
:
Nhiệt dung riêng đẳng áp của vật liệu ở pha 2, J/kg.K.
n
:
Vector pháp tuyến hướng ra ngoài miền khảo sát.
u
:
Vector vận tốc, m/s.
u
:
Vector vận tốc ứng suất nhớt tensor nhớt, m/s.
utan g
:
Vector vận tốc tiếp tuyến, m/s.
m
:
Khoảng cách giữa miền lưu chất tính tốn và vách, m.
ε
:
Lượng tiêu tán năng lượng chảy rối, m2 / s 3 .
C
:
Hằng số của mơ hình, có giá trị bằng 0.09 .
Kv
:
Hằng số của mơ hình, có giá trị bằng 0.41 .
m
:
Khối lượng, kg .
C
:
Hằng số của mơ hình, có giá trị bằng 0.09 .
lT
:
Cường độ dòng chảy rối, 1.
LT
:
Chiều dài dòng chảy rối, m.
15
Luan van
Luận Văn Thạc Sĩ
GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung
Uref
:
Phạm vi vận tốc tham chiếu, m/s.
:
Giới hạn biên của miền hình học.
16
Luan van
Luận Văn Thạc Sĩ
GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung
DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 3.1 Kích thước mẫu mirro M1 [31] ..................................................................41
Hình 3.2 Kích thước mẫu mirro M2 [31] ..................................................................42
Hình 3.3 Mẫu micro thực nghiệm .............................................................................40
Hình 3.4 Hình dạng 3D mẫu micro M2 ....................................................................42
Hình 3. 5 Kích thước mẫu mirro M3 ........................................................................43
Hình 3. 6 Kích thước mẫu mirro M4 ........................................................................44
Hình 3. 7 Kích thước mẫu mirro M5 ........................................................................45
Hình 3.8: Chọn Model...............................................................................................49
Hình 3.9 Chọn Modun...............................................................................................49
Hình 3.10 Nhập mơ hình vào Comsol.......................................................................50
Hình 3.11 Đổi đơn vị về mm ....................................................................................50
Hình 3.12 Mơ hình graphics .....................................................................................51
Hình 3.13 Chọn thêm vật liệu ...................................................................................52
Hình 3.14 Vật liệu sau khi đã được thêm vào ...........................................................52
Hình 3.15 Khối rắn 1 ................................................................................................52
Hình 3.16 Lưu chất 1 ................................................................................................53
Hình 3.17 Điều kiện ban đầu 1 .................................................................................54
Hình 3.18 Cách nhiệt 1..............................................................................................54
Hình 3.19 Thiết lập nhiệt độ 1 ..................................................................................54
Hình 3.20 Đầu ra lưu chất 1 ......................................................................................55
Hình 3.21 Thiết lập nhiệt độ 2 ..................................................................................55
Hình 3.22 Đầu ra lưu chất 2 ......................................................................................55
Hình 3.23 Thiết lập dịng nhiệt 1 ..............................................................................56
Hình 3.24 Thiết lập lưu chất 1 ..................................................................................57
Hình 3.25 Điều kiện ban đầu 1 .................................................................................58
Hình 3.26 Điều kiện vách 1 ......................................................................................58
Hình 3.27 Thiết lập lực trọng trường 1 .....................................................................59
Hình 3.28 Đầu vào lưu chất 1 ...................................................................................59
Hình 3.29 Đầu ra lưu chất 1 ......................................................................................60
Hình 3.30 Đầu vào lưu chất 2 ...................................................................................60
Hình 3.31 Đầu ra lưu chất 2 ......................................................................................61
Hình 3.32 Thiết lập lưu chất 2 .................................................................................61
Hình 3.33 Kết quả sau khi chia lưới..........................................................................62
Hình 3.34 Lời giải mặc định của comsol ..................................................................63
Hình 3.35 Biểu đồ hội tụ của lời giải của mơ hình ...................................................63
Hình 3.36 Kết quả sau khi mơ phỏng.......................................................................64
Hình 4.1 Kết quả mơ phỏng về độ khơ .....................................................................63
Hình 4.2 Kết quả thực nghiệm [31] ..........................................................................65
Hình 4. 3 Sự thay đổi khối lượng riêng.....................................................................66
Hình 4.4 Mẫu micro M2............................................................................................65
Hình 4.5 Mẫu micro M1............................................................................................67
17
Luan van
Luận Văn Thạc Sĩ
GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung
Hình 4.6 Mẫu micro M3 ........................................................................................................... 66
Hình 4. 7 Mẫu micro M5 ..........................................................................................68
Hình 4. 8 Mẫu micro M4 ..................................................................................................... 67
Hình 4. 9 Mẫu Mẫu micro M5 ..................................................................................69
Hình 4. 10 Mẫu micro M2 ..................................................................................................... 68
Hình 4. 11 Mẫu micro M3 ........................................................................................70
Hình 4.12 Nhiệt độ nước ngưng tụ của 2 mẫu micro M1 và M2 ..............................71
Hình 4. 13 Nhiệt độ nước ngưng tụ của 2 mẫu micro M3 và M5 .............................72
Hình 4. 14 Nhiệt độ nước ngưng tụ của 2 mẫu micro M4 và M5 .............................73
Hình 4. 15 Nhiệt độ nước ngưng tụ của 2 mẫu micro M2 và M3 .............................74
Hình 4.16 Đồ thị dự đoán mối quan hệ giữa nhiệt độ nước ngưng tụ và lưu lượng
hơi nước vào trong kênh micro .................................................................................75
Hình 4. 17 Ảnh hưởng của lực trọng trường ở mẫu M2 ...........................................76
18
Luan van
Luận Văn Thạc Sĩ
GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung
DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 3. 1 So sánh kích thước các mẫu micro ...........................................................46
Bảng 3.2 Các điều kiện được sử dụng trong mô phỏng số kênh micro ....................48
Bảng 3.3 Thông số các giá trị ban đầu của bài tốn mơ phỏng số ............................51
Bảng 4.1 Thông số các giá trị ban đầu của bài tốn mơ phỏng số ............................65
19
Luan van
Luận Văn Thạc Sĩ
GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung
1 Chương 1: TỔNG QUAN
1.1 Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay, tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường là vấn đề đang được rất
nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm. Một trong những giải pháp của
việc này là nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị, trong đó việc cải tiến các thiết bị trao
đổi nhiệt kênh micro đã và đang phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây, bởi
tính ưu việt của nó là có kích thước nhỏ nhưng hiệu suất truyền nhiệt cao và giảm
tiêu hao năng lượng đến mức thấp nhất.
Các nghiên cứu về quá trình ngưng tụ trong kênh micro hiện nay chưa nhiều,
đặc biệt với phương pháp mô phỏng số. Nhằm góp phần bổ sung các kết quả khoa
học có giá trị cho lĩnh vực này, tác giả nghiên cứu mô phỏng số quá trình ngưng tụ
trong bộ trao đổi nhiệt kênh micro vuông dùng lưu chất là hơi. Đây là nghiên cứu
nền tảng để phát triển tiếp cho các loại mơi chất khác cũng như các kích thước khác
nhau của các thiết bị ngưng tụ. Do vậy nghiên cứu này vơ cùng cần thiết, nó mong
đợi cung cấp nhiều kết quả mới trong mơ phỏng số dịng hai pha.
1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước
Nghiên cứu về thiết bị trao đổi nhiệt được rất nhiều nhà khoa học trên thế
giới nghiên cứu thực hiện.Cùng với tình hình nghiên cứu của thế giới, các nhà khoa
học ở Việt Nam cũng đã có những nghiên cứu đóng góp về lĩnh vực này và có
những thành tích nhất định. Để có thêm cơ sở thực hiện đề tài, các bài báo của các
nhà khoa học trong và ngồi nước có liên quan đến đề tài đã được tìm hiểu.
1.2.1 Nghiên cứu ngồi nước
Cơng nghệ micro được rất nhiều nhà khoa học áp dụng nghiên cứu vào
những bộ trao đổi nhiệt và kết quả thu được ngày càng tốt hơn như khả năng trao
đổi nhiệt tăng lên, kích thước những bộ trao đổi nhiệt giảm xuống, hiệu suất truyền
nhiệt ngày càng cải thiện.
20
Luan van
Luận Văn Thạc Sĩ
GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung
Liên quan đến lĩnh vực truyền nhiệt micro, Asadi [1] cũng đã nghiên cứu và
đưa ra những kết quả nâng cao hiệu suất nhiệt của kênh micro. Bằng phương pháp
mô phỏng số Xia [2] đã nghiên cứu về hiệu quả của việc sử dụng kênh micro để
tăng cường truyền nhiệt.Kết quả nghiên cứu cho thấy khi giảm kích thước đầu vào
mỗi kênh thì tốc độ truyền nhiệt tăng lên và tổn thất áp suất cũng giảm đi. Bên cạnh
đó, Dang [3] nghiên cứu so sánh truyền nhiệt và tổn thất áp suất của bộ trao đổi
nhiệt kênh micro và kênh mini bằng phương pháp mô phỏng số và kiểm chứng với
thực nghiệm. Kết quả nghiên cứu cho thấy, nhiệt lượng thu được của kênh micro
cao hơn nhiều so với kênh mini tuy nhiên tổn thất áp suất của kênh micro cũng cao
hơn kênh mini. Dang [4] đã nghiên cứu thiết bị trao đổi nhiệt ngược chiều kênh
micro bằng phương pháp mô phỏng 3D sử dụng phần mềm Comsol, kết hợp với
thực nghiệmvới dòng lưu chất một pha bên trong các kênh micro. Kết quả thu được
khi cho nước từ phía nóng của thiết bị có nhiệt độ đầu vào 70oC, lưu lượng khối
lượng 0,2503 g/s và nước từ phía lạnh có nhiệt độ đầu vào 21,5oC, lưu lượng khối
lượng 0,2906 g/s thì mật độ dòng nhiệt thu được 17,38 x 104 W/m2 (hoặc 17,38
W/cm2). Hơn nữa, nghiên cứu thực nghiệm về tác động của lực trọng trường đến
đặc tính truyền nhiệt và tổn thất áp suất của bộ trao đổi nhiệt kênh micro cũng được
thực hiện bởi Dang [5]. Kết quả cho thấy rằng, ảnh hưởng của lực trọng trường
trong bộ trao đổi nhiệt kênh micro là không đáng kể và đồng thời sự chênh lệch
giữa kết quả mô phỏng số và kết quả thực nghiệm đạt đước thấp hơn 9%. Tuy
nhiên, các kết quả trong [3-5] chỉ thực hiện cho dòng một pha. Ngồi ra, Yu [6]
cũng nghiên cứu về đặc tính thủy lực và nhiệt động của kênh micro phân nhánh
hình cây bằng cả phương pháp mô phỏng và thực nghiệm. Kết quảvới cùng chi phí
đầu tư ban đầu, kênh micro phân nhánh hình cây có hệ số truyền nhiệt cao hơn kênh
micro thẳng, đồng thời chỉ số AR của kênh có ảnh hưởng tương đối lớn đến tổn thất
áp suất và khả năng truyền nhiệt của cả hai kênh micro phân nhánh và kênh micro
thẳng.
Từ các nghiên cứu trên ta thấy ngày nay các nhà khoa học trên thế giới cũng
đã dần quan tâm nhiều đến các thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro bởi ưu điểm nổi
21
Luan van
Luận Văn Thạc Sĩ
GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung
bật: hiệu quả truyền nhiệt cao mà tổn thất áp suất qua kênh không đáng kể. Tuy
nhiên các nghiên cứu trên chỉ dừng lại ở thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro dòng một
pha, nên cần có những nghiên cứu cho dịng hai pha.
Về lĩnh vực nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng các đặc tính dịng hai
pha, Fossa [7] xây dựng mơ hình đơn giản để đánh giá đặc tính dịng chảy và khả
năng truyền nhiệt của dòng chảy vòng hai pha. Kết quả, tác giả cung cấp thêm kiến
thức về sự tương tác hỗn hợp hai pha lỏng – khí và khả năng truyền nhiệt trong
dòng chảy hai pha, dòng chảy vòng và dòng chảy trong điều kiện đẳng nhiệt. Hu
và Zhang [8] đã phát triển mơ hình chảy rối K để mơ phỏng dịng chảy và khả
năng truyền nhiệt của dòng hai pha trong thiết bị ngưng tụ bằng phương pháp số.
Kết quả cho thấy sự cải thiện rõ rệt khả năng dự đốn chính xác của mơ hình so với
các nghiên cứu liên quan với cùng giá trị độ nhớt rối không đổi. Đồng thời để mô tả
đặc tính nhiệt động của dịng chảy hai pha trong thiết bị ngưng tụ sử dụng hệ thống
lạnh và hệ thống điều hịa khơng khí Ding và cộng sự [9] đã đề xuất mơ hình kết
hợp. Kết quả, mơ hình vật lý kết hợp với thực nghiệm này có thể dự đốn chính xác
các diễn biến nhất thời trong thời gian thực và giảm đáng kể khối lượng tính tốn.
Ngồi ra, Mirzabeygi và Zhang [10] đã phát triển mơ hình số ba chiều để mơ
phỏng đặc tính truyền nhiệt và dòng chảy lưu chất trong thiết bị ngưng tụ bằng
phương pháp mô phỏng số và tác giả thực hiện so sánh giữa mơ hình khơng gian ba
chiều hiện tại với mơ hình khơng gian gần như ba chiều. Kết quả, mơ hình số ba
chiều được chứng minh khá chính xác khi mơ phỏng dịng chảy rối hai pha trong
thiết bị ngưng tụ. Mirzabeygi và Zhang [11] dùng phương pháp số để mơ phỏng
dịng chày hai pha và khả năng truyền nhiệt trong thiết bị ngưng tụ, từ đó so sánh,
xác định mơ hình chảy rối phù hợp nhất và kết quả cho thấy mơ hình K SST cho
hiệu suất tốt nhất, ít lỗi nhất. Bên cạnh đó, Chen và cộng sự [12] mơ phỏng q
trình ngưng tụ của dịng mơi chất lạnh FC-72 trong kênh micro hình chữ nhật với
đường kính thủy lực 1mm bằng phương pháp số. Kết quả, trong kênh micro pha hơi
tạo ra liên tục khi giảm đường kính từ đầu kênh đến cuối kênh, các bọt khí sinh ra
định kỳ ở đầu kênh, chiều dài bọt khí tăng lên khi hoặc giảm mật độ dòng nhiệt
22
Luan van
Luận Văn Thạc Sĩ
GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung
vách làm mát hoặc tăng mật độ khối lượng dòng chảy và nhiệt độ chất lỏng gần bề
mặt chuyển tiếp, ở bên dưới đầu ra kênh và lớp chất lỏng mỏng gần bề mặt làm mát
đạt nhiệt độ gần bão hịa và kích thước các bọt bong bóng ban đầu tăng lên khi tăng
lưu lượng khối lượng hoặc giảm mật độ dòng nhiệt làm mát. Ling và cộng sự [13]
dùng phương pháp khối hữu hạn giải các phương trình tốn học để mơ phỏng trực
tiếp trong khơng gian ba chiều q trình sơi của dịng chảy trong kênh micro hình
chữ nhật. Kết quả sự kết hợp giữa các bọt bong bóng làm mật độ dòng nhiệt tăng
theo thời gian và lớp màng mỏng chất lỏng giữa bong bóng và vách khi sơi trong
kênh micro là ngun do chính làm cho mật độ dịng nhiệt lớn.
Về sự ảnh hưởng của hình dáng hình học, Dang và Teng [14] thực hiện
nghiên cứu mô phỏng kết hợp thực nghiệm về ảnh hưởng của hình dạng lên hiệu
suất của bộ trao đổi nhiệt ngược chiều kênh micro. Kết quả của nghiên cứu cho thấy
độ dày bề mặt thiết bị ảnh hưởng không đáng kể đến hiệu suất của thiết bị và hơn
nữa sự ảnh hưởng của đường kính thủy lực lên chỉ số hiệu suất là đáng kể. Bên cạnh
đó kết quả thực nghiệm cịn cho thấy rằng với đường kính thủy lực thấp hơn thì tổn
thất áp suất và mật độ dòng nhiệt cao hơn. Liên quan đến ảnh hưởng của vị trí đầu
vào và đầu ra cho hai loại kiểu thiết bị (kiểu I và kiểu S) trao đổi nhiệt kênh micro,
mật độ dòng nhiệt và tổn thất áp suất thu được từ kiểu S là cao hơn.
Liên quan đến các nghiên cứu về ảnh hưởng của sự phân phối môi chất lạnh
trong kênh đến hiệu suất nhiệt và sự lưu động của môi chất Hu và cộng sự [15] đã
đánh giá sự ảnh hưởng của việc phân bố dịng mơi chất và góc phân phối dịng mơi
chất hai pha đến hiệu suất bộ trao đổi nhiệt dạng tấm phẳng bằng phương pháp số.
Kết quả tác giả đưa ra phân tích sự ảnh hưởng góc phân phối của dịng mơi chất hai
pha khi phân bố trong bộ trao đổi nhiệt dạng tấm, từ đó tác giả đề xuất góc phân
phối tối ưu 15 o C . Bằng phương pháp thực nghiệm và mô phỏng Dong và Bean
[16] đã nghiên cứu cải thiện hiệu suất trao đổi nhiệt của thiết bị bay hơi kênh
Micro bằng cách tìm ra thiết kế phù hợp , tối ưu cho bộ ống góp đầu vào. Trong 3
kiểu hình dạng ống góp đầu vào được đánh giá là ống kiểu phân phối, kiểu đơn,
kiểu đơi. Kết quả cho thấy ống góp đầu vào kiểu phân phối biểu diễn sự kết hợp,
23
Luan van
Luận Văn Thạc Sĩ
GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung
phân phối dòng mơi chất lỏng một cách đồng đều nhất, khi dịng mơi chất có biên
dạng đối xứng tốt. Hình dạng ống góp đầu vào kiểu đơi cải thiện đáng kể sự phân
phối dịng chảy của mơi chất lạnh một cách thống nhất và đối xứng.
Qua các nghiên cứu trên ta thấy các nhà khoa học cũng đã tiến hành nhiều
nghiên cứu về đặc tính lưu chất dịng hai pha cũng như ảnh hưởng của hình dáng
hình học và sự phân bố góc phân phối của dịng mơi chất hai pha lên thiết bị trao
đổi nhiệt kênh micro bằng cả thực nghiệm và mô phỏng. Tuy nhiên nghiên cứu về
thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro vng trên tồn mơ hình 3D chưa được các nhà
khoa học nghiên cứu mơ phỏng.
Ngồi ra, cũng có nhiều nghiên khác liên quan đến thiết bị trao đổi nhiệt
micro vuông. Về lĩnh vực nghiên cứu về các đặc tính truyền nhiệt và lưu chất khi
sơi trong kênh mini cũng được nhiều nhà khoa học quan tâm. Saisorn và cộng sự
[17] nghiên cứu các đặc tính truyền nhiệt và thành phần dịng chảy của mơi chất
lạnh R134a khi sơi trong kênh mini ống trịn đặt nằm ngang có đường kính d =1,75
mm và L= 600 mm. Trong phạm vi mật độ khối lượng: 200 -1000 kg / m2 , phạm vi
mật độ dòng nhiệt : 1- 83 kW / m2 , phạm vi áp suất ngưng tụ: 8, 10, 13 bar đã thu
được các kết quả dữ liệu về hệ số truyền nhiệt và dòng chảy thành phần. Năm dòng
chảy thành phần khác nhau bao gồm: dòng chảy chậm (slug flow), throat-annular
flow, churn flow, annular flow and annular-rivulet flow đã được quan sát. Hệ số
truyền nhiệt tăng khi tăng mật độ dịng nhiệt nhưng phần lớn khơng phụ thuộc vào
lưu lượng khối lượng và độ khô. Thêm vào đó, từ thực nghiệm cho thấy rằng áp
suất ngưng tụ cao hơn cho hệ số truyền nhiệt thấp hơn. Saisorn và cộng sự [18]
nghiên cứu dòng lưu chất hai pha của môi chất lạnh R134a khi sôi chảy trong kênh
mini ống trịn đặt nằm ngang có đường kính d= 1,75 mm. Kết quả thu được các hệ
số truyền nhiệt cho các dòng chảy thành phần khác nhau. Các dữ liệu đo đạc được
trong mỗi chế độ dòng chảy được so sánh với những dự đốn từ mơ hình dịng chảy
sơi 3 khu vực (three zone ). Các tính tốn thống nhất với kết quả thực nghiệm tương
24
Luan van
Luận Văn Thạc Sĩ
GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung
ứng với từng thành phần dòng chảy: slug flow, throat-annular flow and churn flow
trong điều kiện mật độ dòng nhiệt nhỏ.
Liên quan đến các nghiên cứu về dòng hai pha trong dàn ngưng micro được
Quan và các cộng sự [19] đã tiến hành nghiên cứu về độ chênh áp dòng hai pha khi
ngưng tụ trong bốn kênh micro silicon với mặt cắt ngang là hình thang nhẵn có
đường kính thủy lực lần lượt là 109
, 142
, 151
, 259
với môi chất sử
dụng hơi nước bằng phương pháp thực nghiệm. Kết quả đo được sự chênh áp dòng
hai pha tăng khi tăng dòng chất, chất lượng hơi và giảm đường kính kênh Micro.
Căn cứ trên dữ liệu thực nghiệm về sự chênh áp dòng hai pha cơ bản đã thay đổi
. Cũng bằng phương pháp thực
hằng số Matinelli-Chisholm không quá
nghiệm Garimella và các cộng sự [20] nghiên cứu về sự chênh áp của môi chất
lạnh R-134A khi ngưng tụ trong kênh Micro ống tròn, họ đã xây dựng mơ hình thực
nghiệm cho dịng ngưng tụ ống trịn nằm ngang có 5 đường kính từ 0,5< d < 4,9
mm với lưu lượng tương ứng từ 150 – 750 kg/m2s. Kết quả cho thấy rằng, độ
chênh áp dịng 2 pha tăng khi giảm đường kính ống. Goss Jr và các cộng sự [21]
nghiên cứu về sự chênh áp của môi chất lạnh R-134a khi ngưng tụ trong 8 kênh
micro ống tròn, nằm ngang và song song với đường kính 0,77 mm. Các yếu tố ảnh
hưởng đến sự tổn thất áp suất bao gồm: sự giãn nở, co lại, thay đổi hướng dòng
chảy, gia tốc, sự ma sát, xác định số lượng bố trí cho kênh micro. Điều kiện thí
nghiệm bao gồm áp suất, chất lượng hơi, dịng nhiệt, tốc độ khối theo các giá trị
tương ứng 7,3
9,7 [bar]; 0,55
1; 17
53 [kWm-2]; 230
445 [kgm-2s-1]. Kết
quả thí nghiệm cho rằng, độ chênh áp tăng khi tăng tốc độ khối và khi giảm nhiệt độ
bão hịa, trong khi nó khơng bị ảnh hưởng đáng kể bởi các dòng nhiệt
Nghiên cứu thực nghiệm dòng lưu chất hai pha của sử dụng môi chất R-134a
và R-245fa trong kênh micro ở các điều kiện dịng chảy khac nhau được Revellin
cùng cơng sự [22] thực hiện. Việc kiểm tra được thực hiện trong kênh có đường
kính d =0,5 mm và d=0,8 mm sử dụng R 134a và R245a tại các giá trị nhiệt độ
ngưng tụ: 26 o C , 30 o C và 35 o C . Bốn thành phần dòng chảy (bubbly flow, slug
25
Luan van
